Die Faszination von Schwärmen und Magnetschlangen

Ob Zebras, Vögel, Fische oder Mikroorganismen: Schließen sie sich in großen Schwärmen zusammen, so bilden sie faszinierende Bewegungsmuster. Diese zeigen überraschende Ähnlichkeiten mit Bewegungsformen von Teilchen, die einfachen physikalischen Gesetzen folgen.

Drei Prinzipien spielen dabei eine Hauptrolle, welche ebenso einfach wie allgemeingültig sind: Bleib stets bei der Gruppe, vermeide Zusammenstöße (ein Platz kann eh nur von einem Teilchen eingenommen werden), und beweg dich in dieselbe Richtung wie deine Nachbarn, wie Prof. Aronson mit Beispielen erläuterte.

Menschen ahmen nach, werden von Nachbarn beeinflusst und folgen Trends in der Mode oder auf Finanzmärkten. Dieses schwarmähnliche Verhalten weckt ebenfalls die forschende Neugier von Physikern. Bei näherer Betrachtung entdecken Wissenschaftler allerdings, dass jede Schwarmsorte oder jedes System mit Ordnungssinn in der Natur zusätzlichen eigenen Regeln folgt.

Die elementaren Prinzipien stecken in unterschiedlichen Variationen hinter vielen geordneten Bewegungen in der Natur. Weitere Beispiele sind auch die Bildung von Schäfchenwolken, von Wirbeln und Walzen in Flüssen, aber auch bei Magmaströmen im Erdinneren. Der Ordnungssinn in der Natur fasziniert aus vielerlei Gründen die Naturforscher und ist auch Thema des Forschungsschwerpunktes "Nichlineare Dynamik" an der Universität Bayreuth.
Der Ordnungssinn ist in jedem spezifischen System etwas anders ausgeprägt. Prof. Aronson erläuterte am Beispiel faszinierender und schöner Spiralenmuster, die in so unterschiedlichen Systemen, wie bei Schleimpilzen, bei chemischen Reaktionen oder bei Erregungswellen auf einem Herz auftreten, aber dabei doch ähnlichen Gesetzmäßigkeiten folgen.

Mit einem Lifeexperiment führte Prof. Aronson das Schwarmverhalten magnetischer Teilchen vor. Er zeigte, wie in Wasser gelöste Mikroteilchen aus Nickel auf ein Magnetfeld reagieren, wobei das Magnetfeld mit einer Frequenz von 30 bis 100 Hertz seine Richtung ändert. Sind die Teilchen bei Abwesenheit des Magnetfeldes auf möglichst großen Abstand bedacht, so ordnen sie sich im periodischen Magnetfeld zu einem schlangenförmigen Schwarm. Die Arbeitsgruppe war bei der Entdeckung dieses Selbstorganisationsphänomens ziemlich überrascht.

Bei genauerer Betrachtung besteht diese magnetische Schlange aus vielen kleinen Stabmagneten, welche sich im Magnetfeld durch Aneinanderreihung aus vielen kleinen Teilchen formen. Faszinierend an diesen Magnetschlangen ist auch deren Schwimmverhalten, was denen von Mikroorganismen ähnlich ist. Sie verhalten sich sonst in mehreren Aspekten wie Mikroorganismen, in dem sie beispielsweise Jagd auf andere Teilchen machen.

Magnetschlangen können in einer Sekunde mehr als das fünffache Ihrer eigenen Länge zurücklegen. Der mehrfache Olympiasieger Michael Phleps würde bei dieser Schwimmeffizenz vor Neid erblassen, so Prof. Aronson.

Prof. Aronson war mit seiner Arbeitsgruppe nicht auf der Suche nach Magnetschlangen. Sie wollten die physikalischen Gesetzmäßigkeiten erforschen, nach denen die im Wasser gelösten Magnetteilchen im periodischen Magnetfeld miteinander wechselwirken. Aber Entdeckungen erfolgen selten nach einem vorgefassten Plan. Sie sind das Produkt systematischen und neugierigen Forschens, so Prof. W. Zimmermann. Diese Überraschungseffekte sind Teil der Faszination von Forschung, die unsere Diplomanden und Doktoranden in unseren Labors miterleben können und als Erfahrung ins Berufsleben mitnehmen.

Mit diesen schlangenförmigen Schwärmen aus magnetischen Teilchen lassen sich nun elementare Prinzipien von Schwarmverhalten systematischer untersuchen. denn diese Teilchenschwärme sind im Gegensatz zu Fisch-, Vogel oder Bakterienschwärmen im Labor kontrollierbar. Mit ihnen kann man auch Langzeitexperimente durchführen, denn es gibt bei diesen Teilchenschwärmen kein Futterproblem, können diese Magnetteilchen doch fast beliebig lange durch ein periodisches Magnetfeld angetrieben werden.

Schafft man es, Magnetschlagen während ihrer Schwimmbewegung festzuhalten, so agieren sie wie kleine Mikropumpen auf die umgebende Flüssigkeit. Wie sich diese inzwischen patentierten Eigenschaften von Magnetschlagen in der Biotechnologie einsetzen lassen und wie man aus geordneten magnetischen Teilchen in Zukunft neue Speichermedien macht, wird viele Forscher weiter beschäftigen.